Sensores a bordo: pressão, temperatura, IMU e GPS

O que a telemetria tem de transportar

A telemetria é a única prova de que a missão funcionou enquanto o CanSat está no ar. Um quadro bem desenhado responde a três perguntas: onde está a plataforma, em que estado está e o que mediu a carga útil. Tudo o resto é decoração.

A largura de banda disponível é pequena. Num link de 868 MHz com modulação LoRa, o débito útil varia entre algumas centenas de bits por segundo e alguns kbit/s, conforme o spreading factor. Isso obriga a escolher o que entra em cada quadro, decisão que começa na arquitetura descrita em o que é um CanSat.

Antes de escolher modelos, fixe-se o que precisa de ser medido e com que incerteza. Resolução não é precisão: um conversor de 24 bits num sensor mal calibrado produz números finos e errados. Para um perfil vertical, a exatidão absoluta de pressão importa menos do que a repetibilidade entre amostras.

Pressão: a variável que dá altitude

O barómetro é o sensor mais importante a bordo. A pressão atmosférica cai cerca de 1 hPa por cada 8,4 m junto ao nível do mar, o que permite estimar altitude com resolução submétrica usando sensores como o MS5611 ou o BMP280.

A conversão exige a pressão de referência do local de lançamento, medida antes do voo. Sem essa referência, a altitude sai deslocada em dezenas de metros. O ruído também conta: a 1 Hz, uma descida de 10 m/s avança 10 m entre amostras.

Filtros de média móvel e um limite de variação por amostra reduzem picos falsos. O mesmo barómetro serve para detetar o embate: uma descontinuidade brusca seguida de pressão estável indica que a plataforma parou.

A temperatura do próprio sensor afeta a leitura e obriga a compensação. Os módulos modernos já incluem o coeficiente interno, mas a deriva térmica continua visível quando o rádio aquece a placa. Comparar a pressão com o sensor parado, durante 20 minutos, mostra a magnitude do erro.

Temperatura: interior, exterior e autaquecimento

Medir temperatura parece trivial e raramente é. O sensor interior aquece com o regulador e o rádio, ficando 5 a 10 °C acima do ar exterior. Para ler o ambiente é preciso um sensor exposto, com filtro e sem incidência solar direta.

Sensores digitais como o TMP117 dão 0,1 °C sem calibração e comunicam por I2C. Termopares exigem amplificador e junta de referência, mas cobrem gamas muito mais largas.

• Sensor interior junto ao regulador, para detetar sobreaquecimento.
• Sensor exterior em suporte ventilado, longe da eletrónica.
• Registo do tempo de aquecimento antes do lançamento.
• Verificação cruzada entre os dois canais antes do voo.

IMU: aceleração, rotação e atitude

A unidade inercial mede aceleração e velocidade angular em três eixos. Durante a descida, serve para caracterizar oscilações do paraquedas e detetar o instante do embate. Depois do impacto, indica a orientação final da plataforma.

Um MPU-6050 ou um BMI088 custam poucos euros e entregam 16 bits por eixo. O problema é o ruído e a deriva: integrar a velocidade angular para obter ângulo acumula erro em segundos. A solução é fundir com acelerómetro e, quando disponível, com magnetómetro.

A escala importa. Em queda livre, a aceleração aparente cai para perto de zero; no embate, um pico de 50 a 100 g satura qualquer gama de 16 g. Para medir impacto é preciso um acelerómetro dedicado de alta gama, muitas vezes só para registar o evento.

GPS: posição, tempo e velocidade

O recetor GPS dá latitude, longitude, altitude e tempo. O tempo é tão valioso como a posição: sincroniza o registo interno com a telemetria e permite reconstruir a trajetória sem ambiguidade.

A altitude GPS é ruidosa, com erro vertical de 5 a 15 m, e não substitui o barómetro. Já a velocidade horizontal ajuda a validar a descida e a localizar a plataforma no terreno após o embate.

O arranque a frio demora 25 a 40 segundos com céu limpo, mais em condições adversas. A antena deve ver o horizonte e ficar longe do transmissor, que pode dessensibilizar o recetor. Vale a pena guardar o último fix conhecido antes do lançamento.

Além das frases NMEA, muitos recetores expõem mensagens binárias com dados brutos, incluindo número de satélites e diluição de precisão. Registar essa informação ajuda a explicar falhas de posição em zonas de relevo ou com o CanSat inclinado. Um voo de 10 minutos a 5 Hz ocupa poucos megabytes.

Construir a trama de telemetria

Um quadro típico ocupa 40 a 60 bytes e inclui identificador, contador, tempo, pressão, temperaturas, acelerações, posição, tensão da bateria e verificação de erros. Campos binários poupam banda; texto legível facilita a depuração em terra.

Cada quadro deve poder ser interpretado isoladamente. Se a ligação cair, o primeiro quadro recebido após a recuperação tem de fazer sentido sem depender dos anteriores. Contadores e marcas de tempo resolvem o alinhamento.

A taxa de 1 Hz é confortável, mas limitada para o embate. Uma solução comum é gravar a 10 ou 20 Hz na memória e transmitir uma média a 1 Hz, guardando os picos para leitura posterior.

Testar a cadeia antes do voo

A cadeia completa testa-se em bancada: sensores, firmware, rádio, antena e estação de terra ligados durante horas. Injeta-se pressão com uma seringa, aquece-se com ar quente e simula-se movimento. O objetivo é ver os valores mudarem de forma coerente no ecrã.

A ligação entre a trama e a estação de terra deve ser validada à distância real de operação. Um ensaio a 200 m revela problemas de antena que nenhum teste de bancada mostra, sobretudo quando o corpo do CanSat já está fechado.